[01686692]水平轴风力机尾迹气动特性研究

气流通过旋转的风轮时产生动量损失,会在风力机下游形成风速下降的区域,该区域被称为尾迹。风力机的尾迹流动是一种典型的湍流剪切流,其近尾迹是以旋涡流动为主导的复杂流动现象。风力机的尾迹结构、尤其是尾迹涡的组成,最终表征着作用在风力机叶片上的流体载荷 。正确地设计和预估风力机叶片的载荷对风力机的设计非常重要,它极大地影响风力机的动力生成和结构安全,决定着变速器等其它机械装置的选择以及整个发电设备的价格。开展风力机尾迹流动的研究对提高风力机的流场分析、载荷预估和气动特性计算的准确性起着重要作用。另一方面,在风电场中,许多风力机布置在一起,一些风力机将处于其它风力机的尾迹中。尾迹的湍流结构会影响下游风力机的疲劳载荷,使风力机的性能受到影响,功率输出减小,导致整个风电场总的功率输出受到影响。开展风力机尾迹流动的研究可以合理布置风力机,尽量减小风力机尾流的影响,提高风电场效率,使风电场的经济性达到最佳。 由于风力机的尾迹是以旋涡流动为主导的复杂流动现象,呈现不稳定性和三维流动特性,传统的测量工具很难获得风力机尾迹的三维速度场。为了成功测量流场,本项目拟尝试采用具有高频响、具有高速数据采集与处理系统的热线测速仪和粒子成像测速仪（Particle Image Velocimeter, PIV）对风力机尾迹流场进行测量,获得尾迹的几何形状、尾迹涡的组成等。采用CFD计算软件数值模拟风力机尾迹三维流场,并与实验数据进行比对。用CFD方法弥补实验难以测量得到的数据,全面地认识风力机尾迹的流动特性。在详细研究风力机尾迹区流动的特性的基础上,采用叶素理论结合涡流理论的方法,对风力机尾迹流场与风力机叶片之间的相互作用关系,建立可用于风力机设计、载荷预估和气动特性计算的尾迹模型。 建立了风力机尾迹区速度分布模型用来计算处于下游尾迹区内其他风力机的性能,该模型可用于优化风电场中风力机的布置方法。 成果特色主要在于: 成果理论起点较高。风力机的尾迹流动是一种典型的湍流自由剪切流,其尾迹是以旋涡流动为主导的复杂流动现象。该成果的研究能促进对湍流自由剪切流的认识,同时在提高风力机的流场分析、载荷和气动特性计算准确性的理论方面另辟蹊径;成果内容新。国内几乎没有对风力机尾迹三维流场实验及CFD数值模拟方面研究工作的报道;国外的一些研究人员虽然已经认识到这方面研究工作的重要性,但所做的工作十分有限,风力机尾迹流动的研究仍然是风力机研究的热点和难点;成果应用面广。利用风力机尾迹流场与风力机叶片之间的相互作用关系,建立风力机叶片的气动载荷与尾迹速度场之间联系,物理概念清晰,想法新颖,结果实用。研究成果不仅可以用于改进风力机设计,也可推广应用到直升机桨叶、涡轮机叶片等其它旋转机械上。